恒壓變量軸向柱塞泵的研究

趙 琦 殷學超

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

隨著社會經濟的高速發展，在各個行業中液壓傳動都是不可或缺的，柱塞泵作為液壓系統中的“心臟”，是使用最高的液壓驅動動力元件。如今的市場要求我們不斷地創新，做到與眾不同，做到獨一無二，正是市場使命，造就了液壓泵產品的多樣化。其多元性主要體現在[1]：1）輸送介質的多樣性；2）產品結構的差異性；3）運行要求的不同性。

從輸送介質來區分，早期的軸向柱塞泵的輸送介質主要是水及其它的流體、氣體等，但現在可以輸送的東西越來越多，包括各種氣體、液體、固體的組合形式。目前國內的大方向是要求環保和可持續發展，柱塞泵的工作環境對泵的設計提出了相應的要求，比如要求柱塞泵具有噪聲低、泄漏少、壽命穩定等要素，這些要素對泵的設計提供了依據。在這種大環境大需求下，形成了多元形式的泵。

隨著時代的不斷進步、不斷創新、不斷發展，液壓系統也隨之發展，液壓系統也慢慢朝著精細化、精密化、環保化、智能化、模塊化等方向發展，它對整個液壓系統的影響較為直接，也是判斷液壓系統穩定的重要依據，恒壓變量軸向柱塞泵正是在這種情況下應運而生。最近幾年，使用容積式運動原理傳動的液壓系統壓力逐漸增大，大大提高了柱塞泵的使用范圍，應用也隨之越來越廣泛。該種容積式的柱塞泵具有很多優點，如質量輕、輸出壓力高，多種變量機構任意選擇、使用壽命長等。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

目前國外柱塞泵的廠家主要集中在德國、日本、美國等發達國家，這些廠家的市場占有率超過65%，其關鍵技術也對外封鎖。

國外對軸向柱塞泵的研究較早，美國Denison 型號的柱塞泵，該泵的主要特點是壓力高、效果好、采用斜盤后置的方式，其結構緊湊、簡單、性能穩定，如圖1 所示。

圖1 Denison 軸向柱塞泵

英國的Vardis 柱塞泵，該型號的柱塞泵其泵體結構為一體鑄造形式，配油盤集成在鑄造泵體上，柱塞泵的軸承為滑動軸承，其采用了特殊的變量機構來實現，其零部件數量少，成本低廉，如圖2 所示。

圖2 英國Vardis 軸向柱塞泵

日本川崎K 系列軸向柱塞泵，結構如圖3 所示，該泵柱塞的回程不是借助彈簧，而是由固定壓板使壓盤拖動柱塞強制返回，中心彈簧只是對缸體配油表面起到密封作用，該泵共9 個柱塞，斜盤傾角為14°，在泵軸后端裝設一擺線齒輪泵[2]。

圖3 日本川崎K 系列軸向柱塞泵

德國Bosch 軸向柱塞泵如圖4 所示，泵的主體部分與前述的日本川崎K 系列相似，其變量機構不同于前述的垂直布置，而與泵軸成斜向布置。

圖4 德國Bosch 軸向柱塞泵

1.2 國內研究現狀

國內柱塞泵的水平大致相當于國外30 年前的技術水平，產品的使用壽命和無故障率都遠遠達不到發達國家的設計水平。因此，開發出具有自主知識產權的高壽命、高穩定性的柱塞泵，不但可以擺脫國外的技術封鎖，也能提高國產化程度，這樣能大大降低企業的采購成本。

從1980 年以來，我國逐漸開始研究PCY 型號的恒壓變量軸向柱塞泵，在2 年后研發成功，并且逐漸研發了多代產品，并全部投入市場，滿足各個行業對液壓泵的需求，占據了一定的市場份額。第一代PCY14-1B 恒壓變量泵共有5 種規格，分別為10，25，63，160，250 mL/r，但是真正投入到市場的只有25 和63 mL/r 這2 種，其結構如圖5 所示。

圖5 一代PCY14-1B 恒壓變量泵

其結構特點為：

1）變量活塞大頭安裝在下方，小頭安裝在上方，采用倒裝方式；

2）恒壓調節閥裝在變量機構下法蘭的內部；

3）恒壓控制閥閥芯的直徑為0.8cm；

4）一般常泄露的阻尼器安裝在活塞的下腔體內。

第二代恒壓變量泵主要是在第一代的基礎上進行改進，泵的安裝尺寸均未改變，其結構如圖6 所示。

圖6 第二代PCY14-1B 恒壓變量泵

其結構特點為：

1）變量活塞大頭安裝在上方，小頭安裝在下方；

2）上法蘭的上方安裝有恒壓調節閥；

3）恒壓閥芯的直徑為0.6cm，與國外同類恒壓調節閥閥芯直徑相同；

4）一旦恒壓閥起作用時，油會從變量活塞的上腔體內排出，進而實現活塞的上移，此時柱塞泵的排量減少，實現泵的恒壓變量控制。

第三代恒壓變量泵是柱塞泵，其變動較大，具體結構如圖7 所示。

圖7 第三代QPCY14-1BK 恒壓變量泵

其主要結構特點為：

1）柱塞泵的主體結構相比之前進行了較大的改變，不僅增加了柱塞泵的規格種類和型號，擴大了使用的工作范圍，而且還具有穩定性好、速度高、隔音性能好等優點；

2）該恒壓變量泵中的恒壓閥的方向旋轉了180°；

3）該恒壓變量泵將節流器并排安裝在變量活塞的2 個腔體中，使變量活塞的上下腔形成壓差，由于壓差的作用變量活塞的上腔體內不斷被泵供油。

柱塞泵的變量機構按照調節的方式不同可分為為恒功率控制機構、恒壓控制機構、恒流量控制機構，它們是通過檢測柱塞泵的流量、壓力作為檢測信號與輸入值信號進行比較，再通過變量機構的位置反饋來實現排量的控制；按照控制信息可分為速度傳感控制、壓力傳感控制、負荷傳感控制[3]。

<1)，且各件產品是否為不合格品相互獨立．

2 恒壓變量軸向柱塞泵的變量機構及工作原理

本文主要討論的是恒壓變量控制型的變量機構，如圖8 所示為恒壓變量機構原理圖。

圖8 恒壓變量機構原理圖

恒壓變量泵的定義是：采用恒壓控制的變量柱塞泵，其運行原理如上圖8 所示，其中：1 為控制滑閥、2 為調節彈簧、3 是控制油缸，1 和2 并稱為恒壓閥。其具體控制流程如下：

1）當液壓系統壓力低于正常壓力值時，此時控制油缸的右腔體內沒有液壓油，彈簧力控制油缸向右運動，進而來觸發柱塞泵的變量機構，使得柱塞泵處在最大壓力處；

2）當液壓系統壓力增加，一旦壓力增大到恒壓閥設定的壓力時，此時調壓彈簧的彈力會小于控制閥的液體壓力，促使閥芯像右移動，此時控制油缸的右端會有油液進入，控制油缸的活塞會向左運動，進而再推動柱塞泵的變量機構，此時柱塞泵的排量會減小，柱塞泵的工作壓力也慢慢降低；

3）當控制閥左腔體的壓力等于調節彈簧的壓力時，此過程滑閥會關閉工作，控制油缸將不再動作，變量機構執行結束，柱塞泵的工作壓力將會逐漸穩定在調節彈簧的設定值上面。同時，當液壓系統的壓力逐漸降低時，由于變量機構調節作用，使得泵的輸出流量不斷增加，液壓系統壓力又會回到初始設定的值[4]。

如圖9 所示為恒壓變量泵的工作特性曲線，當P

這種泵的運動機制是：在某一個設定值的壓力下，如果負載所需要的泵的流量從圖9 所示的點A逐漸變化到點B 時，此時一旦變量泵的輸出流量不變時，整個液壓系統將會出現供過于求的現象，促使柱塞泵的出口壓力不斷升高，這時變量機構產生相應的控制，會使液壓系統的排量不斷減小，減小到與B 點上的流量相對應時，來匹配負載所需要求的系統流量的減小，但同時又會保持系統壓力不變。

圖9 恒壓變量泵的工作特性曲線

恒壓變量柱塞泵主要由3 大部分組成：柱塞泵、變量油缸、調壓閥。它主要通過柱塞的往復動作，進而改變柱塞缸體內的液體容積，進行油液的輸入輸出。斜盤式軸向柱塞泵一般具有效果好、參數高、壽命長等優點，應用十分廣泛，它主要是通過控制斜盤的傾角來實現變量控制[4]。

恒壓變量泵主要工作原理為：當驅動電機帶動傳動軸旋轉時，傳動軸帶動缸體持續旋轉，此時沿著圓周布置的若干個柱塞同時繞著傳動軸旋轉，滑靴被中間彈簧的彈力作用擠壓在柱塞泵變量頭上，這樣圓周布置的柱塞就會伴隨缸體的轉動做往復的伸縮運動，進而實現吸油和排油功能。

當設定的壓力大于液壓系統的輸出壓力，此時柱塞泵全排量輸出，即實現定量工作，當系統輸出的壓力達到設定的壓力時，就會通過變量機構自動地調節泵的流量，從而來確保液壓系統壓力的恒定，滿足柱塞泵的使用需求。

如圖10 所示為恒壓變量柱塞泵結構示意圖，該結構將輸出的壓力油同時通至變量活塞下腔和恒壓閥的控制油入口，當輸出壓力小于調定壓力時，作用在恒壓閥芯上的油壓推力小于調定彈簧力，恒壓閥處于開啟狀態，壓力油進入變量活塞上腔，變量活塞壓在最低位置，泵全排量輸出壓力油；當泵在調定恒壓力工作時，作用在恒壓閥芯上的油壓推力等于調定彈簧力，恒壓閥的進排油口同時處于開啟狀態，使變量活塞上下腔的油壓推力相等，變量活塞在某一平衡位置工作[5]，若液壓阻尼（負載）加大，油壓瞬時升高，恒壓閥排油口開大、進油口關小，變量活塞上腔比下腔壓力低、變量活塞向上移動，泵的流量減小，直至壓力下降到調定恒壓力，這時變量活塞在新的平衡位置工作。反之，若液壓阻尼（負載）減小，油壓瞬時下降，恒壓閥進油口開大，排油口關小，變量活塞上腔比下腔油壓高，變量活塞向下移動，泵的流量增大，直至壓力上升至調定恒壓力[6]。

圖10 恒壓變量柱塞泵結構圖

3 結束語

本文總結了恒壓變量軸向柱塞泵的研究現狀和成果，并詳細分析了國內恒壓變量泵的發展歷程。指出當前國內恒壓控制變量泵產品性能相比于國外有很大的差距，提出創新研究恒壓變量柱塞泵的社會意義。對恒壓變量泵的工作原理進行了細致的分析，并重點研究了變量工作機構的工作機理。